JP6108187B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る二次電池としてのリチウムイオン二次電池100を示している。リチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体200と電池ケース300と電解液(図示省略)とを備えている。また、図2は、捲回電極体200を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。この実施形態では、捲回電極体200は、図2に示すように、帯状の正極シート220と帯状の負極シート240とが重ねられ、かつ、捲回されている。
正極シート220は、正極集電体221と、正極活物質層223とを備えている。正極集電体221には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、正極集電体221には、所定の幅を有し、厚さが凡そ10μmの帯状のアルミニウム箔が用いられている。正極活物質層223は、正極集電体221に保持され、少なくとも正極活物質が含まれている。この実施形態では、正極活物質層223は、正極活物質を含む正極合剤が正極集電体221に塗工された層である。この実施形態では、正極集電体221の幅方向片側の縁部に沿って未塗工部222が設定されている。正極活物質層223は、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に形成されている。
正極活物質層223に含まれる正極活物質には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いられる物質を使用することができる。正極活物質の例を挙げると、LiNiCoMnO2(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物)、LiNiO2(ニッケル酸リチウム)、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiMn2O4(マンガン酸リチウム)、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)などのリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。ここで、LiMn2O4は、例えば、スピネル構造を有している。また、LiNiO2やLiCoO2は層状の岩塩構造を有している。また、LiFePO4は、例えば、オリビン構造を有している。オリビン構造のLiFePO4には、例えば、ナノメートルオーダーの粒子がある。また、オリビン構造のLiFePO4は、さらにカーボン膜で被覆することができる。
正極活物質層223には、正極活物質の他に、導電材、バインダ(結着剤)などの任意成分を必要に応じて含有し得る。導電材としては、例えば、カーボン粉末やカーボンファイバーなどのカーボン材料が例示される。このような導電材から選択される一種を単独で用いてもよく二種以上を併用してもよい。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、黒鉛化カーボンブラック、カーボンブラック、黒鉛、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末などのカーボン粉末を用いることができる。
また、バインダとしては、使用する溶媒に溶解または分散可能なポリマーを用いることができる。例えば、水性溶媒を用いた正極合剤においては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)などのセルロース系ポリマー(例えば、ポリビニルアルコール(PVA)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系樹脂(例えば、酢酸ビニル共重合体やスチレンブタジエンゴム(SBR)など)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)などのゴム類;などの水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水溶媒を用いた正極合剤においては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)などのポリマーを好ましく採用することができる。なお、上記で例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、上記組成物の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適例として、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。
この実施形態では、正極活物質層223の平均の厚さt1は、片面当り27μm程度である。かかる正極活物質層223の厚さt1は、例えば、正極シート220の未塗工部222を基準にして測定するとよい。
負極シート240は、負極集電体241と、負極活物質層243と、絶縁層245とを備えている。負極集電体241には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、この負極集電体241には、所定の幅を有し、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極活物質層243は、負極集電体241に保持され、少なくとも負極活物質が含まれている。この実施形態では、負極活物質層243は、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体241に塗工された層である。負極集電体241の幅方向片側には、縁部に沿って未塗工部242が設定されている。負極活物質層243は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に形成されている。
負極活物質層243に含まれる負極活物質には、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる材料の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が挙げられる。より具体的には、いわゆる黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた炭素材料を用いることができる。例えば、天然黒鉛のような黒鉛粒子を使用することができる。また、負極合剤には、負極活物質の分散を維持するべく、負極合剤には適量の増粘剤が混ぜられている。負極合剤には、正極合剤に使われるのと同様の増粘剤やバインダや導電材を使用することができる。
この実施形態では、負極活物質層243の平均の厚さt2は、片面当り35μm程度である。かかる負極活物質層243の厚さt2は、例えば、負極活物質層243が形成された後において、負極シート240の未塗工部242を基準にして測定するとよい。
絶縁層245は、この実施形態では、負極活物質層を覆うように、絶縁性を有する樹脂粒子を積層した多孔質の層である。絶縁層245に用いられる樹脂粒子は、好適には、熱可塑性樹脂の粒子であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン由来の構造単位が85mol%以上の共重合ポリオレフィンまたはポリオレフィン球動体などを用いることができる。また、樹脂粒子は、複数の異なる熱可塑性樹脂の粒子を適当な割合で混合してもよい。また、樹脂粒子は、無機フィラーやゴムなどで絶縁性を有する材料が適当な割合で添加されていてもよい。この実施形態では、樹脂粒子には、ポリエチレンが用いられている。樹脂粒子は、例えば、バインダで接着するとよい。かかるバインダには、例えば、正極活物質層または負極活物質層に用いられるバインダと同様のバインダを用いることができる。
この実施形態では、絶縁層245の平均の厚さt3は、片面当り25μm程度である。かかる絶縁層245の厚さt3は、例えば、絶縁層245が形成された後において、負極シート240の未塗工部242を基準に、負極活物質層243と絶縁層245と合わせた厚さt4を測定し、上述した負極活物質層243の厚さt2との差分(t3=t4−t2)により算出するとよい。
また、この実施形態では、絶縁層245の縁には溶融部246が形成されている。溶融部246は、絶縁層245を形成する樹脂粒子が溶融した部分である。かかるリチウムイオン二次電池100によれば、絶縁層245の縁に、樹脂粒子が溶融した溶融部246が形成されているので、絶縁層245の縁が強固に固まっており、当該縁から絶縁層245が剥がれ難い。図2および図3に示す例では、負極活物質層243の幅b1(溶融部246を含まず)は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。
この例では、正極シート220と負極シート240は、図2に示すように、長さ方向を揃えて重ねられている。この際、正極活物質層223と負極活物質層243が重ねられる。また、正極シート220と負極シート240の幅方向において、正極シート220の未塗工部222と負極シート240の未塗工部242とが互いに反対側にはみ出るように重ねられている。また、負極活物質層243の幅b1は正極活物質層223の幅a1よりも少し広く、負極活物質層243は正極活物質層223を覆うように重ねられている。重ねられたシート材(例えば、正極シート220)は、当該シート材の幅方向に設定された捲回軸周りに捲回されており、捲回後も負極活物質層243が正極活物質層223を覆う状態が維持されている。なお、図2は、正極シート220と負極シート240を捲回し、扁平に変形した捲回電極体200の一部展開した状態を示している。
また、この例では、電池ケース300は、図1に示すように、いわゆる角型の電池ケースであり、容器本体320と、蓋体340とを備えている。容器本体320は、有底四角筒状を有しており、一側面(上面)が開口した扁平な箱型の容器である。蓋体340は、当該容器本体320の開口(上面の開口)に取り付けられて当該開口を塞ぐ部材である。
その後、蓋体340に設けられた注液孔から電池ケース300内に電解液が注入される。電解液は、水を溶媒としていない、いわゆる非水電解液が用いられている。この例では、電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。その後、注液孔に金属製の封止キャップを取り付けて(例えば溶接して)電池ケース300を封止する。なお、電解液としては、かかる実施例に限定されず、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液を使用することができる。
ここで、正極活物質層223は、例えば、正極活物質と導電材の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間を有している。かかる正極活物質層223の微小な隙間には電解液(図示省略)が浸み込み得る。また、負極活物質層243は、例えば、負極活物質の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間を有している。また、負極活物質層243を覆うように形成された絶縁層245は、樹脂粒子が積層されており、電解液がしみこみうる空洞とも称すべき微小な隙間を有している。ここでは、かかる隙間(空洞)を適宜に「空孔」と称する。このように、リチウムイオン二次電池100の内部では正極活物質層223と負極活物質層243には、電解液が染み渡っている。
また、この例では、当該電池ケース300の扁平な内部空間は、扁平に変形した捲回電極体200よりも少し広い。捲回電極体200の両側には、捲回電極体200と電池ケース300との間に隙間310、312が設けられている。当該隙間310、312は、ガス抜け経路になる。
図4は、かかるリチウムイオン二次電池100の充電時の状態を模式的に示している。充電時においては、図4に示すように、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、充電器290に接続される。充電器290の作用によって、充電時には、正極活物質層223中の正極活物質からリチウムイオン(Li)が電解液280に放出される。また、正極活物質層223からは電荷が放出される。放出された電荷は、図4に示すように、導電材(図示省略)を通じて正極集電体221に送られ、さらに、充電器290を通じて負極240へ送られる。また、負極240では電荷が蓄えられるとともに、電解液280中のリチウムイオン(Li)が、負極活物質層243中の負極活物質に吸収され、かつ、貯蔵される。
図5は、かかるリチウムイオン二次電池100の放電時の状態を模式的に示している。放電時には、図5に示すように、負極240から正極220に電荷が送られるとともに、負極活物質層243に貯蔵されたリチウムイオン(Liイオン)が、電解液280に放出される。また、正極では、正極活物質層223中の正極活物質に電解液280中のリチウムイオン(Li)が取り込まれる。
上述したように、このリチウムイオン二次電池100は、図1および図2に示すように、正極集電体221と、正極集電体221に塗工され、少なくとも正極活物質が含まれた正極活物質層223とを備えている。さらに、リチウムイオン二次電池100は、正極集電体221に対向するように配置された負極集電体241と、負極集電体241に塗工され、少なくとも負極活物質が含まれた負極活物質層243とを備えている。また、リチウムイオン二次電池100は、図3に示すように、正極活物質層223または負極活物質層243の少なくとも一方(図3に示す例では、負極活物質層243)を覆うように、絶縁性を有する樹脂粒子を積層した多孔質の絶縁層245が形成されている。さらに、このリチウムイオン二次電池100は、かかる絶縁層245の縁に、樹脂粒子が溶融した溶融部246を備えている。
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法および電極シートの切断装置を説明する。この実施形態では、二次電池の製造方法は、電極シートを用意する工程と、溶融工程と、切断工程とを含んでいる。かかる二次電池の製造方法は、例えば、上述したリチウムイオン二次電池100(図1参照)のうち負極シート240を製造する工程に適用することができる。以下、上述したリチウムイオン二次電池100の負極シート240を例に挙げて、本発明の一実施形態に係る二次電池の製造方法および電極シートの切断装置を説明する。図6は、電極シートを用意する工程で用意される段階での電極シート(負極シート240)の平面図である。
電極シートを用意する工程で用意される電極シート10Aは、図6に示すように、集電体10(負極集電体241のマザー集電体)と、活物質層(負極活物質層243)と、絶縁層(絶縁層245)とを備えている。ここでは、電極シート10Aは、複数の負極シート240が切り出されるマザーシートを意味している。また、集電体10は、複数の負極シート240の負極集電体241が切り出され得る集電体を意味している。
溶融工程は、電極シートを用意する工程で用意された電極シート10A(a)、10A(b)、10A(c)の絶縁層245(a)〜(c)を、予め定められたラインz1、z3、z5に沿って溶融させる工程である。
図9に示す例では、電極シート10A(a)〜(c)をバックロール41(ガイドロール)に支持させた状態で、バックロール41とは反対側の面に形成された絶縁層245(a)〜(c)にレーザ20A(a)〜(c)を照射している。そして、当該レーザ20A(a)〜(c)が照射された面に形成された絶縁層245(a)〜(c)(図8参照)を溶融させる。次に、当該絶縁層245(a)〜(c)を溶融させた面をバックロール42に支持させる。そして、当該バックロール42に支持させた状態で、バックロール42とは反対側の面に形成された絶縁層245(a)〜(c)にレーザ20B(a)〜(c)を照射している。ここでは、符号20A(a)〜(c)および20B(a)〜(c)は、直接的には電極シート10A(a)〜(c)に照射されるレーザを示している。なお、当該レーザを照射するレーザ装置は、図示の便宜上、省略されている。図示されるレーザ20A(a)〜(c)およびレーザ20B(a)〜(c)は、当該レーザを照射するレーザ装置およびレーザ装置を制御する装置の存在を間接的に示している。
図13は、レーザが照射される前の活物質層243(a)〜(c)と絶縁層245(a)〜(c)の状態を示す模式図である。また、図14は、レーザが照射された後の活物質層243(a)〜(c)と絶縁層245(a)〜(c)の状態を示す模式図である。
次に切断工程を説明する。
上述した実施形態では、ヒーター(レーザ20A(a)〜(c)やレーザ20B(a)〜(c)を照射するレーザ装置)によって、絶縁層245(a)〜(c)を溶融させる部位と、電極シート10A(a)〜(c)を切断する部位との間は少し距離がある。このため、電極シート10A(a)〜(c)が当該距離を進む間に温度が下がり、電極シート10A(a)〜(c)が切断される前に溶融工程で溶融した樹脂が十分に固化し得る。この場合、絶縁層245(a)〜(c)を溶融させる部位と、電極シート10A(a)〜(c)を切断する部位との間は、常温(約25度)において、少なくとも0.5秒以上、より好ましくは、0.8秒以上掛けて搬送するとよい。
溶融工程で溶融した樹脂が十分に固化する前に、切断工程に供給されると、カッター30(a)〜(c)に樹脂が付着するなど不具合を生じさせうる。また、溶融工程と切断工程との間で十分な間隔をあけるには、タクトタイムが長くなる。このため、二次電池の製造方法は、例えば、図21に示すように、溶融工程(Sm)と、切断工程(Sc)との間に、電極シートを冷却する冷却工程(Sr)を備えていてもよい。溶融工程(Sm)と、切断工程(Sc)との間に、電極シートを冷却する冷却工程(Sr)を設けることによって、溶融工程で溶融した樹脂を切断工程の前に、より確実に固化させることができる。これにより、溶融工程と切断工程との間のタクトタイムを短くできる。
例えば、図21に示す形態では、ヒーター(レーザ20A(a)〜(c)やレーザ20B(a)〜(c)を照射するレーザ装置)によって加熱された後、カッター30(a)〜(c)によって切断される前に、電極シート10A(a)〜(c)を冷却する冷却装置36を備えている。この実施形態では、電極シート10A(a)〜(c)は帯状のシートであり、搬送装置40は、電極シート10A(a)〜(c)を搬送経路に沿って連続的に搬送する装置である。冷却装置36は、搬送経路に沿って、ヒーター(レーザ20A(a)〜(c)やレーザ20B(a)〜(c)を照射するレーザ装置)と、カッター30(a)〜(c)との間に設けられている。冷却装置36は、例えば、電極シート10A(a)〜(c)に空気を吹き付ける送風機で構成することができる。この場合、電極シート10A(a)〜(c)は非接触で冷却される。
また、冷却装置36は、図22に示すように、電極シート10A(a)〜(c)に押し当てられる金属ロール37と、金属ロール37を冷やす冷却部38とを備えているとよい。当該冷却部38は、電極シート10A(a)〜(c)に押し付けられていない部分において、金属ロール37を冷却するとよい。冷却部38の構成としては、金属ロール37から吸熱する構造であれば良い。冷却部38は、例えば、電極シート10A(a)〜(c)に押し付けられていない部分において、金属ロール37に冷気を当てる構造でもよい。また、冷却部38は、金属ロール37を中空構造とし、金属ロール37内に冷媒を循環させる構造でもよい。この場合、電極シート10A(a)〜(c)を早急に冷却することができる。これにより、タクトタイムが短くなる。
また、絶縁層245は、例えば、上述したように、樹脂粒子が積層されており、電池内部の温度が異常に高くなった際に、所定の温度で樹脂粒子が溶融し、負極活物質層243の表面に、電解液の流通を遮断する膜を形成する。これにより、電池内で反応を停止させることができる。絶縁層245は、負極シート240の両面にそれぞれ所定の厚さ(例えば、20μm〜40μm程度の厚さ)で形成するとよい。
なお、上記はリチウムイオン二次電池の一例を示すものである。リチウムイオン二次電池は上記形態に限定されない。また、同様に金属箔に電極合剤が塗工された電極シートは、他にも種々の電池形態に用いられる。例えば、他の電池形態として、円筒型電池やラミネート型電池などが知られている。円筒型電池は、円筒型の電池ケースに捲回電極体を収容した電池である。また、ラミネート型電池は、正極シートと負極シートとをセパレータを介在させて積層した電池である。
10A 電極シート
20 ヒーター
20A レーザ
20B レーザ
30 カッター
36 冷却装置
37 金属ロール
38 冷却部
40 搬送装置
41、42 ガイドロール(バックロール)
62、64 位置調整機構
82、84 巻取り軸
100 リチウムイオン二次電池(二次電池)
110 集電体
110A 電極シート
110a、110b、110c、110d 電極シートの縁
112 未塗工部
114 活物質層
116 絶縁層
118 溶融部
120 タブ
200 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電体
222 未塗工部
223 正極活物質層
240 負極シート
241 負極集電体
242 未塗工部
243 活物質層
243 負極活物質層
245 絶縁層
246 溶融部
250 樹脂粒子
250a 樹脂粒子250が溶融した部分
250b 一部が溶融した樹脂
280 電解液
290 充電器
300 電池ケース
310 隙間
320 容器本体
322 蓋体340と容器本体320の合わせ目
340 蓋体
360 安全弁
400 捲回装置
410 巻取軸
412 レーザ
414 カッター
420 電極端子
440 電極端子
1000 車両駆動用電池(二次電池)
z1-z5 ライン(切断ライン)
z21-z24 ライン(切断ライン)
Sm 溶融工程
Sc 切断工程
Sf 冷却工程
Claims (9)
- 正極集電体と、
前記正極集電体に保持され、少なくとも正極活物質が含まれた正極活物質層と、
前記正極集電体に対向するように配置された負極集電体と、
前記負極集電体に保持され、少なくとも負極活物質が含まれた負極活物質層と、
絶縁性を有する樹脂粒子とバインダとを含み、前記樹脂粒子が空孔を伴って前記バインダで接着されているとともに、前記正極活物質層及び前記負極活物質層の少なくとも一方を覆うように前記正極活物質層及び前記負極活物質層の少なくとも一方の表面に結合して積層されてなる多孔質の絶縁層と、
前記絶縁層の縁に形成され、前記絶縁層の前記樹脂粒子の溶融により前記空孔が消失した状態で固化されている溶融部と、
を備えた、二次電池。 - 前記正極集電体は帯状であって、
前記正極活物質層は、前記正極集電体の幅方向片側の縁部に沿って設定された未塗工部を除いた前記正極集電体の両面に配置されて、帯状の正極シートを構成しており、
前記負極集電体は帯状であって、
前記負極活物質層は、前記負極集電体の幅方向片側の縁部に沿って設定された未塗工部を除いた前記負極集電体の両面に配置されて、帯状の負極シートを構成しており、
前記正極シートおよび前記負極シートは、前記絶縁層を介して重ねられ、かつ、前記幅方向に設定された捲回軸周りに捲回された捲回電極体を構成しており、
前記溶融部は、前記絶縁層が積層された前記正極シートまたは前記負極シートの、前記幅方向で前記未塗工部が設定された側の縁には備えられておらず、前記未塗工部が設定されていない側の縁部に沿って備えられている、請求項1に記載された二次電池。 - 前記捲回電極体は、前記捲回軸に直交する一の方向において扁平である、請求項2に記載された二次電池。
- 前記絶縁層は、絶縁性を有する無機フィラーが含まれている、請求項1から3までの何れか一項に記載された二次電池。
- 前記絶縁層は、絶縁性を有するゴムの粒子が含まれている、請求項1から4までの何れか一項に記載された二次電池。
- 前記絶縁層の縁は切断痕を有する、請求項1から5までの何れか一項に記載された二次電池。
- 前記絶縁層は、前記負極活物質層の表面に結合されている、請求項1から6までの何れか一項に記載された二次電池。
- 前記負極活物質層は、前記正極活物質層よりも幅が広く、かつ、前記正極活物質層に対向させて配置されており、前記絶縁層が前記正極活物質層に対向する側において、前記負極活物質層に積層された、請求項1から7までの何れか一項に記載された二次電池。
- 前記負極活物質は、粒子状の炭素材料を含む、請求項1から8までの何れか一項に記載された二次電池。
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